單髁置換術(shù)后脛骨平臺(tái)近端愈合前后的生物力學(xué)研究

王獻(xiàn)抗，黃紹祥，周 雷，楊 友

(1.天津市骨植入物界面功能化與個(gè)性化研究企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300190；2.嘉思特華劍醫(yī)療器材(天津)有限公司，天津 300190)

目前，隨著社會(huì)老齡化進(jìn)程，骨性關(guān)節(jié)炎已成為老年人最主要的致殘?jiān)蛑?，患者疼痛難忍且無(wú)法正常行走，嚴(yán)重影響患者的生活品質(zhì)。對(duì)于晚期重度膝關(guān)節(jié)炎，多數(shù)患者會(huì)選擇單髁置換術(shù)(UKA)甚至全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)(TKA)。SATKU[1]調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在人工全膝關(guān)節(jié)置換患者中，5%～20%為膝關(guān)節(jié)單間室病變。對(duì)于單間室病變的患者，與TKA相比，UKA提供了更為有效的微創(chuàng)手術(shù)方案，單髁置換保留了交叉韌帶等膝關(guān)節(jié)解剖結(jié)構(gòu)，從而保留了膝關(guān)節(jié)力學(xué)機(jī)制。UKA手術(shù)創(chuàng)傷小、費(fèi)用低、恢復(fù)快，臨床效果顯著，引起了極大的關(guān)注，但其術(shù)后早期脛骨假體周圍骨折與疼痛仍無(wú)法避免，并最終導(dǎo)致翻修為TKA.

據(jù)臨床經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)文獻(xiàn)表明，脛骨假體周圍骨折約占UKA翻修原因的1%，通常發(fā)生在單髁置換術(shù)后1周內(nèi)，而在那些剛剛開(kāi)展單髁關(guān)節(jié)置換術(shù)的外科醫(yī)師手中，或者在那些先天性脛骨較小的亞洲人群中，脛骨假體周圍骨折更易發(fā)生。另外，單髁置換術(shù)后，患者經(jīng)常抱怨脛骨平臺(tái)前內(nèi)側(cè)疼，在術(shù)后早期這種現(xiàn)象比較常見(jiàn)，大多數(shù)患者在一年后疼痛減輕。然而，一些患者在術(shù)后一年仍然存在不明原因的疼痛[2]，且隨著時(shí)間推移，疼痛會(huì)更加嚴(yán)重，甚至導(dǎo)致脛骨假體周圍骨折，患者疼痛難忍時(shí)，就會(huì)考慮假體翻修，在臨床上造成這種疼痛的原因及機(jī)制尚不清楚。這些并發(fā)癥或許可歸結(jié)于脛骨平臺(tái)近端反常過(guò)高的骨應(yīng)變，但皮質(zhì)骨過(guò)高的應(yīng)變分布最終可能削弱骨重建進(jìn)而導(dǎo)致骨退化。手術(shù)中脛骨過(guò)度截骨是造成此類并發(fā)癥的常見(jiàn)原因之一，過(guò)多截骨會(huì)在脛骨平臺(tái)切割面出現(xiàn)骨缺損，造成切割面應(yīng)力集中，脛骨平臺(tái)承載能力降低，當(dāng)膝關(guān)節(jié)受力過(guò)大時(shí)易造成脛骨平臺(tái)假體周圍骨折。然而，通過(guò)試驗(yàn)方法直接在體內(nèi)測(cè)量脛骨近端應(yīng)變分布并不可行，因此，本文從生物力學(xué)角度研究脛骨平臺(tái)近端愈合前后的應(yīng)力與應(yīng)變分布規(guī)律，為深入探討臨床上脛骨平臺(tái)近端術(shù)后骨折及疼痛機(jī)理等并發(fā)癥的力學(xué)機(jī)制提供理論參考，且文中脛骨平臺(tái)的不同切割方案造成的生物力學(xué)規(guī)律可為臨床手術(shù)提供參考。

1 有限元模型及邊界條件

根據(jù)單髁手術(shù)技術(shù)，規(guī)劃了3種不同脛骨切割面模型，如圖1所示。圖1(a)銳角切割模型為標(biāo)準(zhǔn)正常手術(shù)技術(shù)切割形狀；圖1(b)過(guò)切割模型為手術(shù)中過(guò)度切骨的示意形狀，根據(jù)CLARIUS et al[3]的統(tǒng)計(jì)，矢狀面切骨超過(guò)4 mm的發(fā)生率達(dá)到18%，超過(guò)8 mm的發(fā)生率達(dá)到3%；圖1(c)圓角切割模型為優(yōu)化的脛骨切割面形狀，即在水平截骨與豎直截骨的相交位置加釘孔，以此來(lái)避免銳角切割面造成的應(yīng)力集中，進(jìn)而造成較大的骨應(yīng)變。對(duì)于圓角切割模型，臨床上已有部分應(yīng)用，但假體植入后愈合前后的生物力學(xué)機(jī)制仍不明確。

圖1 脛骨平臺(tái)切割面模型Fig.1 Model of cut surface of tibial plateau

1.1 有限元模型

對(duì)健康男性脛骨斷層CT掃描，掃描層厚為1.5 mm，掃描層數(shù)330層，應(yīng)用Mimics軟件，通過(guò)閾值分析、空洞修補(bǔ)建立包含皮質(zhì)骨與松質(zhì)骨的脛骨近端模型。然后，將脛骨模型與假體三維模型導(dǎo)入三維軟件進(jìn)行裝配，建立上述3個(gè)不同脛骨平臺(tái)切割面的有限元模型，根據(jù)文獻(xiàn)膝關(guān)節(jié)步態(tài)屈曲35 °時(shí)達(dá)到峰值載荷，在該屈曲角度下的三維模型如圖2(a)，最后導(dǎo)入有限元軟件并建立有限元模型如圖2(b)所示。在單髁置換術(shù)后的即刻穩(wěn)定期(愈合前)，通過(guò)設(shè)置上述模型的脛骨切割面與骨水泥界面為摩擦接觸來(lái)模擬。在長(zhǎng)期穩(wěn)定期(愈合后)，通過(guò)設(shè)置上述模型的脛骨切割面與骨水泥界面為綁定接觸來(lái)模擬。根據(jù)上述方法分別得到單髁置換術(shù)后假體愈合前后的仿真模型，獲得愈合前(即刻穩(wěn)定)與愈合后(長(zhǎng)期穩(wěn)定)脛骨近端在軸向加載條件下的應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律。其中，脛骨平臺(tái)底面與脛骨界面設(shè)置1 mm厚的骨水泥層，平臺(tái)龍骨與松質(zhì)骨槽界面設(shè)置0.5 mm骨水泥層，通過(guò)抽中面功能設(shè)置骨水泥為面單元網(wǎng)格類型，摩擦接觸算法為增廣拉格朗日算法，收斂精度取為0.1%.

圖2 單髁置換有限元模型Fig.2 UKA finite element model

1.2 邊界條件及材質(zhì)

采用的邊界條件：約束脛骨遠(yuǎn)端位移。模擬體重為70 kg的人在步態(tài)周期中脛骨平臺(tái)軸向負(fù)載，外側(cè)承重40%(870 N)，內(nèi)側(cè)承重60%(1 160 N)[4-5]，對(duì)內(nèi)側(cè)髁假體施加1 160 N軸向載荷，外側(cè)平臺(tái)施加870 N軸向載荷。有限元模型中各材質(zhì)的材料參數(shù)如下表1所示[6-7]。

表1 材料參數(shù)Table 1 Mechanical properties of materials

2 計(jì)算結(jié)果與分析

為定量研究脛骨平臺(tái)近端應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律，對(duì)脛骨平臺(tái)周圍劃分5個(gè)區(qū)域，如圖3所示。區(qū)域A位于脛骨干骺端前內(nèi)側(cè)皮質(zhì)，區(qū)域B位于水平截骨面與豎直截骨面的拐角，區(qū)域C位于脛骨平臺(tái)龍骨槽下方的松質(zhì)骨處，區(qū)域D與E分別位于龍骨槽的內(nèi)外側(cè)松質(zhì)骨處。

圖3 脛骨平臺(tái)5個(gè)區(qū)域位置示意Fig.3 Position of the 5 areas of tibial plateau

2.1 脛骨近端皮質(zhì)骨應(yīng)力分布

單髁置換術(shù)后內(nèi)側(cè)脛骨平臺(tái)骨折是一種極其嚴(yán)重的并發(fā)癥，這種并發(fā)癥也許與手術(shù)技術(shù)有關(guān)。脛骨平臺(tái)近端骨折線始于脛骨平臺(tái)切割面拐角，止于內(nèi)側(cè)干骺端皮質(zhì)。

圖4-圖6為3種模型的脛骨皮質(zhì)骨等效應(yīng)力與最大主應(yīng)力分布云圖，由圖可知，最大應(yīng)力主要集中于脛骨切割面的前后端皮質(zhì)以及脛骨干骺端皮質(zhì)。

圖4 脛骨皮質(zhì)骨等效應(yīng)力Fig.4 Von Mises stress of tibial cortical bone

圖5 脛骨皮質(zhì)骨最大主應(yīng)力Fig.5 Maximum principal stress of tibial cortical bone

圖6 脛骨皮質(zhì)骨切割面處應(yīng)力分布Fig.6 Stress distribution at cut surface of tibia cortex

數(shù)值仿真分析表明：對(duì)于銳角模型，最大等效應(yīng)力與最大主應(yīng)力均發(fā)生在脛骨切割面的前端，最大應(yīng)力分別為23.57 MPa和20.48 MPa.

當(dāng)脛骨豎直切割面過(guò)切時(shí)，最大等效應(yīng)力與最大主應(yīng)力轉(zhuǎn)向脛骨切割面的后側(cè)，且應(yīng)力數(shù)值分別增加了2.1倍和2.5倍。另外，對(duì)于過(guò)切模型，脛骨切割面后側(cè)的皮質(zhì)骨應(yīng)力遠(yuǎn)大于前端皮質(zhì)骨的應(yīng)力，當(dāng)最大主應(yīng)力超過(guò)脛骨的強(qiáng)度極限時(shí)，則很容易引發(fā)脛骨平臺(tái)近端骨折，且骨折方向沿著脛骨平臺(tái)切割面拐角后方向切割面拐角前方以及脛骨干骺端延伸。

對(duì)于第3種圓角模型，在脛骨平臺(tái)切割面拐角處倒圓后，最大等效應(yīng)力相對(duì)過(guò)切模型降低了62%，相對(duì)于銳角模型降低了19%.而最大主應(yīng)力相對(duì)過(guò)切模型降低了73.8%，相對(duì)于銳角模型降低了35%.因此，當(dāng)在切割面拐角處倒圓后，將很大程度上降低脛骨平臺(tái)近端骨折的風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 脛骨近端應(yīng)變分布

由于單間室膝關(guān)節(jié)置換術(shù)后保留了更多的解剖結(jié)構(gòu)，所以，單髁置換相對(duì)全膝置換能提供更好的運(yùn)動(dòng)學(xué)功能。然而，單髁植入后的早期，一些患者在日常活動(dòng)中受到了脛骨近端前內(nèi)側(cè)疼痛的困擾，這種莫名的疼痛總是在術(shù)后一年慢慢消失。例外的是，在一小部分患者中，一年后疼痛仍持續(xù)并可能惡化。在臨床上這種疼痛的原因及機(jī)制尚不清楚。

脛骨切割面愈合前，松質(zhì)骨最小主應(yīng)變分布云圖如圖7所示；愈合后，松質(zhì)骨的最小主應(yīng)變分布云圖如圖8所示。由應(yīng)變?cè)茍D可知，在脛骨近端愈合前，完整模型的最小主微應(yīng)變?yōu)? 557.而單髁置換后初期，脛骨切割面拐角、龍骨槽處以及脛骨近端前側(cè)的微應(yīng)變遠(yuǎn)高于4 000，其中銳角模型的最大微應(yīng)變數(shù)值為8 032，過(guò)切模型的最大微應(yīng)變數(shù)值為9 622，圓角模型的最大微應(yīng)變數(shù)值為7 378，且最大微應(yīng)變值均發(fā)生在脛骨近端前內(nèi)側(cè)，這與臨床上，患者單髁置換后發(fā)生疼痛的部位相一致。

圖7 脛骨松質(zhì)骨切割面處愈合前最小主微應(yīng)變Fig.7 Minimum principal strain before healing at the cut surface of tibia cancellous bone

圖8 脛骨松質(zhì)骨切割面處愈合后最小主微應(yīng)變Fig.8 Minimum principal strain after healing at the cut surface of tibia cancellous bone

隨著切割面處骨骼重塑愈合，在完整模型、圓角模型以及銳角模型除去微應(yīng)變集中點(diǎn)的異常值，微應(yīng)變值均低于3 746.圓角模型的微應(yīng)變基本下降至較低水平，最大微應(yīng)變數(shù)值為3 746.然而，過(guò)切模型以及銳角模型的局部區(qū)域在愈合后，微應(yīng)變數(shù)值仍高于4 000.

以上這種應(yīng)變分布規(guī)律變化，解釋了為什么大多數(shù)患者在術(shù)后第一年內(nèi)，疼痛自然消退。而當(dāng)一些更極端的假體占據(jù)了相當(dāng)大的比例且微應(yīng)變高于4 000的閾值時(shí)，患者會(huì)出現(xiàn)脛骨退行性改變。 這可能是在臨床中，假體植入后一年，患者的膝關(guān)節(jié)疼痛仍未減輕甚至出現(xiàn)惡化，進(jìn)一步引起骨折，最終選擇翻修的原因。

圖9-圖13分別為：圖3中脛骨平臺(tái)5個(gè)區(qū)域位置在愈合前后的最小主微應(yīng)變、最大主微應(yīng)變以及等效微應(yīng)變分布規(guī)律?？芍?，最大微應(yīng)變主要集中于松質(zhì)骨，皮質(zhì)骨近端存在較小的微應(yīng)變，數(shù)值大概為620.

圖9 近端內(nèi)側(cè)脛骨干皮質(zhì)處主微應(yīng)變和等效微應(yīng)變Fig.9 Principal and equivalent strains at proximal medial tibial shaft cortex

由圖10、圖11可知，在愈合前，切割面拐角B處，過(guò)切模型的最小主微應(yīng)變較銳角模型增加了65%，最大等效微應(yīng)變較銳角模型增加了67%；而圓角模型的最小主微應(yīng)變較銳角模型降低了23.6%，最大等效微應(yīng)變較銳角模型降低了25%.切割面龍骨槽C處，過(guò)切模型的最小主微應(yīng)變較銳角模型增加了22%，最大等效微應(yīng)變較銳角模型增加了18.8%；而圓角模型的最小主微應(yīng)變較銳角模型降低了19.5%，最大等效微應(yīng)變較銳角模型降低了18.7%.在愈合后，圓角模型的微應(yīng)變值均低于其余兩個(gè)模型的微應(yīng)變值。由圖12與圖13可知，在龍骨槽兩側(cè)與上述具有類似的微應(yīng)變分布規(guī)律，而微應(yīng)變值相對(duì)稍小。

圖10 脛骨平臺(tái)切割面拐角處主微應(yīng)變和等效微應(yīng)變Fig.10 Principal and equivalent strains at the corners of the cut surface of tibial plateau

圖11 脛骨平臺(tái)龍骨槽處主微應(yīng)變和等效微應(yīng)變Fig.11 Principal and equivalent strains at the keel groove of tibial plateau

圖12 脛骨平臺(tái)龍骨槽內(nèi)側(cè)主微應(yīng)變和等效微應(yīng)變Fig.12 Principal and equivalent strains of the medial keel groove of tibial plateau

圖13 脛骨平臺(tái)龍骨槽外側(cè)主微應(yīng)變和等效微應(yīng)變Fig.13 Principal and equivalent strains outside the keel groove of tibial plateau

3 討論

骨重塑是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程[8]，雖然機(jī)械應(yīng)變可以局部改變骨骼結(jié)構(gòu)[9]，但脛骨平臺(tái)過(guò)切也是造成微裂紋損傷的一種催化劑[10]。當(dāng)脛骨豎直切割面過(guò)切時(shí)，脛骨切割面后側(cè)的皮質(zhì)骨應(yīng)力遠(yuǎn)大于前端皮質(zhì)骨的應(yīng)力，當(dāng)最大主應(yīng)力超過(guò)脛骨的強(qiáng)度極限時(shí)，則很容易引發(fā)脛骨平臺(tái)近端骨折，且骨折方向沿著脛骨平臺(tái)切割面拐角后方向切割面拐角前方以及脛骨干骺端延伸[11-15]。對(duì)于圓角模型，在脛骨平臺(tái)切割面拐角處倒圓后，最大等效應(yīng)力相對(duì)過(guò)切模型降低了62%，相對(duì)于銳角模型降低了19%.而最大主應(yīng)力相對(duì)過(guò)切模型降低了73.8%，相對(duì)于銳角模型降低了35%.因此，當(dāng)在切割面拐角處倒圓后，將很大程度上降低脛骨平臺(tái)近端骨折的風(fēng)險(xiǎn)。骨骼的微裂紋損傷演化是一種老化過(guò)程的自然現(xiàn)象，術(shù)后脛骨平臺(tái)微應(yīng)變的增加也許會(huì)增加微裂紋的分布區(qū)域。另外，當(dāng)微裂紋處較高的微應(yīng)變超過(guò)骨重建所需的微應(yīng)變閾值，骨重建過(guò)程將退化，且微裂紋會(huì)進(jìn)一步延伸，加劇了脛骨平臺(tái)局部的損傷。這可能是疼痛在一些患者中持續(xù)存在，并且出現(xiàn)進(jìn)一步惡化的原因。

這項(xiàng)研究表明，在術(shù)后早期，假體與脛骨平臺(tái)間處于即刻穩(wěn)定期(愈合前)，此時(shí)，脛骨平臺(tái)假體周圍存在較大的微應(yīng)變，尤其在脛骨前內(nèi)側(cè)存在微應(yīng)變集中，這些應(yīng)變也許與植入假體后患者抱怨膝關(guān)節(jié)前內(nèi)側(cè)疼痛有關(guān)。另外，根據(jù)脛骨近端微應(yīng)變分布規(guī)律，當(dāng)假體與脛骨平臺(tái)間處于長(zhǎng)期穩(wěn)定(愈合后)，微應(yīng)變值大部分已降低至正常水平，這是由于隨著時(shí)間的推移，骨重建過(guò)程削弱了這些較高微應(yīng)變，因此，臨床上這種疼痛總是在假體置換一段時(shí)期后才慢慢消失。因此，臨床上，在術(shù)后一年，不能因?yàn)槌跗诓幻髟虻奶弁炊x擇去翻修，除非已明確表現(xiàn)出具體的原因。此外，本研究也表明了脛骨近端微應(yīng)變過(guò)大的增加是由于不當(dāng)?shù)氖中g(shù)操作，而不是因?yàn)榧袤w置換術(shù)。因此，在臨床實(shí)踐中應(yīng)謹(jǐn)慎并避免這種影響因素。

4 結(jié)論

本文通過(guò)有限元仿真對(duì)單間室膝關(guān)節(jié)置換術(shù)后，脛骨平臺(tái)近端在即刻穩(wěn)定期(愈合前)與長(zhǎng)期穩(wěn)定期(愈合后)的應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律進(jìn)行了生物力學(xué)研究。對(duì)于正常手術(shù)進(jìn)行的銳角切割脛骨平臺(tái)模型，脛骨平臺(tái)過(guò)切將明顯增加脛骨近端后側(cè)的等效應(yīng)力與最大主應(yīng)力以及主應(yīng)變。脛骨平臺(tái)切割面拐角處倒圓后，在愈合前后，脛骨平臺(tái)近端的應(yīng)力與應(yīng)變均明顯降低。研究結(jié)果可為單髁置換的臨床中脛骨優(yōu)化的圓角切割面提供生物力學(xué)依據(jù)，且文中提到的圓角切割模型可避免術(shù)中失誤過(guò)切導(dǎo)致脛骨后側(cè)皮質(zhì)損傷，進(jìn)而引發(fā)術(shù)后脛骨平臺(tái)近端骨折的并發(fā)癥風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，也為臨床中單髁術(shù)后脛骨平臺(tái)近端骨折及術(shù)后疼痛并發(fā)癥的機(jī)理探討提供了一定的理論依據(jù)。